Elszökhet-e a szupertömegű fekete lyuk a galaxisának magjából? – Igen!

Csillagvizsgáló Svábhegyi

A nagyobb galaxisok centrumában található szupernagy tömegű fekete lyukak élete korántsem eseménytelen. Időnként nem csak anyagot kebelezhetnek be a környezetükből és emiatt hatalmas teljesítménnyel, aktív galaxismagként sugározhatnak. Előfordulhat az is, hogy egy másik, hasonlóan nagy fekete lyuk is végzetes közelségükbe kerül. Az összeolvadás után létrejövő újonnan született óriás pedig akár el is hagyhatja a neki otthont adó csillagváros magját.

Galaxisok és fekete lyukak
Megfigyeléseink arra utalnak, hogy minden nagyobb galaxis közepén található egy szupernagy tömegű fekete lyuk. A „szuper” jelző nem túlzás, hiszen ezek mérete a több milliónyitól egészen a sok milliárdnyi naptömegig terjedhet. Azt is tudjuk, hogy általában minél nagyobb egy galaxis, annál nagyobb a központi fekete lyuk tömege. Az ilyesmi pedig nem lehet a véletlen műve. Működnie kell valamiféle fizikai mechanizmusnak a galaxisok kialakulása és fejlődése során, amely „beállítja” ezt a hozzávetőleges arányosságot. Hogy pontosan mi ez, vagyis hogyan hatnak egymásra a galaxisok és a bennük rejtőző hatalmas központi fekete lyukak, azt napjainkban is intenzíven kutatják a csillagászok. Biztos, hogy a kölcsönhatás módjai igen összetettek. Azt mindenesetre tudjuk, hogy az Univerzum története során a galaxisok többsége számos ütközésen, összeolvadáson ment át. Feltehető, hogy idővel a központi fekete lyukaik is közel kerülhetnek egymáshoz és végül egybeolvadhatnak, ezzel egy még nagyobb fekete lyukat hozva létre.

Az elliptikus galaxisokat (vagy a spirálgalaxisok központi dudorjait) alkotó csillagok tömegének (a vízszintes tengelyen) és a galaxisokban levő szupernagy tömegű fekete lyukak tömegének (a függőleges tengelyen) az összefüggése. Minél nagyobb egy galaxis, általában annál nagyobb a fekete lyuk is. (Kép: K. Cordes, S. Brown / STScI) https://cdn.spacetelescope.org/archives/images/large/opo0022b.jpg

Azt gondolhatnánk, hogy egy ilyen tekintélyes tömegű fekete lyukat nem lehet csak úgy kimozdítani a helyéről. Valóban nem is könnyű, de azért nem is teljesen lehetetlen! Ha ugyanis két, valaha önálló, de már eggyé olvadt galaxis egykori saját központi fekete lyukai is egyesülnek, akkor a keletkező erős gravitációs hullámok nem a tér minden irányában egyforma energiával hagyják el a rendszert. Az aszimmetria mértéke függ az egymásba spirálozó fekete lyukak konfigurációjától, vagyis hogy milyen a tömegeik aránya, mennyire gyorsan forognak, és egymáshoz, valamint a pályájuk síkjához képest hogyan állnak a forgástengelyeik. A számítások szerint a viharos jelenség után újonnan keletkező egyetlen, még nagyobb tömegű fekete lyuk ilyenkor akkora lökést is kaphat, amelynek nyomán másodpercenként akár több ezer km-es sebességre tehet szert. (Azért jellemzőbb érték lehet a néhány száz km/s.) Ez pedig elegendő ahhoz, hogy – legalább egy időre – elhagyja a galaxis közepét.

A központi fekete lyuk kilökődéséhez vezető folyamat fő állomásai. 1: kölcsönható galaxisok, 2: egymás körül pályára álló, egyre közeledő fekete lyukak, 3: a fekete lyukak végső összeolvadása, gravitációs hullámok kibocsátása; 4: a keletkező új, nagyobb fekete lyuk lendületet kap és kidobódik. (Kép: NASA / ESA / A. Feild, STScI) https://imgsrc.hubblesite.org/hvi/uploads/image_file/image_attachment/29986/STScI-H-p1712b-f-2400×900.png

Bármilyen hihetetlenül nagy is legyen egy központi fekete lyuk tömege, az még mindig eltörpül magának a teljes galaxisnak a tömegéhez képest. Tekintsük például a saját galaxisunkat, a Tejútrendszert, amelynek középpontjában egy kb. 4 millió naptömeggel egyenértékű fekete lyuk található. Igen ám, de a Tejútrendszer össztömege – a sötét anyaggal, a csillagokkal, a csillagközi gázzal és porral együtt – a billió naptömeg nagyságrendjébe esik, vagyis csaknem egymilliószorosa a központi fekete lyukénak. Könnyen beláthatjuk, hogy a teljes galaxis anyagának dinamikájára a központi fekete lyuknak vajmi kevés befolyása van. A galaxis valójában nem „körülötte kering” abban az értelemben, hogy ha a fekete lyukat valamiképp kimozdítanánk a rendszer tömegközéppontja környékéről, akkor az egész galaxis ezt a változást meg sem érezné. A csillagok, gázfelhők ugyanúgy keringenének tovább a maguk pályáin a rendszer tömegközéppontja körül, mint addig tették.

Pont ilyesmi történhet a feketelyuk-összeolvadás nyomán nagy sebességgel kilökődő új behemóttal is. A galaxismag eltávolodhat ugyan a régi helyétől, de a teljes galaxisra ez nem igazán van hatással. Legfeljebb annyi történhet, hogy a fekete lyuk magával ragadja a galaxis teljes méretéhez viszonyítva eltörpülő „befolyási övezetén” – a Tejútrendszerben levő szupernagy tömegű fekete lyuk esetén mondjuk kb. 10 fényéves sugáron belül – található anyagot.

A CXO J101527.2+625911 katalógusjelű galaxis optikai és röntgenképe, valamint egy fantáziarajz a galaxisból kilökődő, s közben az anyagbefogás miatt erősen röntgensugárzó aktív magról. (Kép: röntgen: NASA / CXC / NRAO / D.-C. Kim; optikai: NASA / STScI; illusztráció: NASA / CXC / M. Weiss) https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/zsGVJEKXTMjnfKSP3Nk3FD.jpg

A szökevények nyomában
A kilökődő fekete lyukkal kétféle dolog is történhet. Vagy nem ereszti el a galaxisának tömegvonzása, így sebessége elkezd csökkenni, majd a fekete lyuk egyfajta oszcilláló mozgásba kezd a rendszer tömegközéppontja körül. Egy idő után ez csillapodik, amplitúdója csökken, míg végül a fekete lyuk újból megállapodik a galaxis tömegközéppontjánál. Ha viszont akkora „kezdőrúgást” kap, hogy sebessége eléri a galaxisra vonatkozó szökési sebességet, akkor végleg búcsút is inthet az addigi lakóhelyének.

Más kérdés, hogyan tudjuk ezeket a kilökődő fekete lyukakat megfigyelni. Maga a fekete lyuk nyilván nem bocsát ki semmiféle sugárzást, így nincs könnyű dolgunk. Akkor lepleződhet csak le a csillagászati műszerek előtt, ha aktívan anyagot tud befogni a közvetlen környezetéből. Ilyenkor az anyagbefogási korong forró plazmájának sugárzása – például az ibolyántúli vagy a röntgentartományban –, vagy a forgástengelye irányában esetleg kidobódó részecskenyalábok rádiósugárzása árulkodhat róla.

Ez utóbbi esetben, ha nagy pontossággal képesek vagyunk megmérni egy aktív galaxismag pozícióját az egész Földre kiterjedő rádiótávcső-hálózatokkal, valamint ismerjük a galaxis középpontjának koordinátáit a látható fény tartományában, akkor a jelentős eltérések akár kidobódó galaxismagra is utalhatnak. Ilyesmire korábban mi is találtunk gyanús jeleket, ugyanakkor az effajta pozíciós különbségeket másféle jelenségek is magyarázhatják. Egyebek mellett az is elképzelhető, hogy egyidejűleg két aktív mag is ragyog egy galaxis centrumában, a pár tagjait ilyenkor a még össze nem olvadt fekete lyukak adják.

A 3C 183 jelű rádiósugárzó kvazár (a Hubble-űrtávcső optikai felvételének közepén a legfényesebb objektum) jól láthatóan nem a neki otthont adó galaxis közepén helyezkedik el. A kutatók gyanítják, hogy itt is egy kilökődött aktív galaxismagról lehet szó. (Kép: NASA / ESA / M. Chiaberge et al., STScI, JHU)
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/hubble_rogue_black_hole_thumbnail2.png

Mozgása közben úgy is sikerülhet megfigyelni egy helyéből „kipöckölt” aktív galaxismagot, hogy a szupernagy tömegű fekete lyuk környezetében található, hozzá gravitációsan kötött, körülötte keringő gázfelhőkből származó emissziós színképvonalakat keresünk. Ha a fekete lyuknak és „udvartartásának” a látóirányunkba eső sebességkomponense elég nagy, akkor a hullámhosszak Doppler-eltolódása könnyen leleplezi, hogy a galaxis többi részéhez képest mozog a szökevény mag.

A felvétel közepén megjelölt galaxisban található CID-42 röntgenforrásról a Chandra-röntgenteleszkóppal készített kép (jobbra fent) és a Hubble-űrtávcsővel készített optikai kép (jobbra középen), és a kettő kompozitképe (jobbra lent). A különböző hullámhosszú felvételek összevetése alapján úgy sejtik, hogy itt egy kilökődött aktív galaxismagot figyelhetünk meg. (Kép: röntgen: NASA / CXC / SAO / F. Civano et al.; optikai: NASA / STScI; háttér: CFHT / NASA / STScI) https://chandra.harvard.edu/photo/2012/cid42/cid42_lg.jpg

Habár nem könnyű egyértelműen kimutatni a galaxisok közepéből kilökődő fekete lyukakat, az esetek tanulmányozása fontos adalékokkal szolgálhat a galaxisok és magjaik fejlődésének, a galaxisok és a központi fekete lyukak összeolvadási folyamatának a megértéséhez. Természetesen minden egyedi példa csak egy általunk épp most látható pillanatkép az adott galaxis hosszú, sok milliárd éves élettörténetéből. De ha sok hasonló pillanatkép áll rendelkezésünkre, s azokat össze tudjuk vetni az elméleti szimulációk alapján várt eredményekkel, sok minden kiderülhet a galaxisok központját uraló szupernagy tömegű fekete lyukak játékáról.

Cikkajánkló:
Komossa S. (2012): Recoiling Black Holes: Electromagnetic Signatures, Candidates, and Astrophysical Implications. Advances in Astronomy, 2012, 364973
https://doi.org/10.1155/2012/364973

Orosz G., Frey S. (2013): Optical-radio positional offsets for active galactic nuclei. Astronomy & Astrophysics, 553, A13
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201321279

Gazdagalaxisából kipenderített óriás fekete lyukat találtak (csillagaszat.hu, 2012. június)
https://www.csillagaszat.hu/hirek/extragalaktikus-csillagaszat-hirek/exg-aktiv-galaxismagok/exg-kozponti-fekete-lyukak/gazdagalaxisabol-kipenderitett-orias-fekete-lyukat-talaltak/

Szerző: Frey Sándor, Tudományos főmunkatárs
CSFK Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Intézet / Svábhegyi Csillagvizsgáló

📸 Borító: A CXO J101527.2+625911 katalógusjelű galaxis optikai és röntgenképe, valamint egy fantáziarajz a galaxisból kilökődő, s közben az anyagbefogás miatt erősen röntgensugárzó aktív magról. 

Szívesen olvasnál még hasonló témában? Olvasd el ezt a cikket is: Galaxismag, mit ugrálsz?